area FISICA - classi A038 e A049 per l anno scolastico 2008/09

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1 Corso di aggiornamento Il Tè degli Insegnanti area FISICA - classi A038 e A049 per l anno scolastico 2008/09 prof. Gabriele Calzà COSTRUZIIONE DII OGGETTII DIIDATTIICII NELL IINSEGNAMENTO DELLA FIISIICA 4 OTTIICA Promosso dall Università degli Studi di Trento a cura del Laboratorio di Comunicazione delle Scienze Fisiche λcosф con la collaborazione del Liceo Galilei di Trento e del Museo Tridentino di Scienze Naturali prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 1 -

2 ESP. 4/A a) FENDITURA SU TELAIO DIAPOSITIVA Fenditura montata sul telaio per diapositiva Materiali: - un telaio vuoto per diapositiva - una lametta da barba nuova(del tipo usate dai barbieri) - attack o colla adatta - striscia di foglio di alluminio Attrezzatura: - forbici Procedura (tempo stimato 20 min.) - Spezzare o tagliare in due la lametta, senza rovinarla, in modo da avere le due lame separate e piatte; - accorciarne le estremità se ingombrano gli incastri dei telai; - incollare su una metà aperta del telaio la prima lama con il lato affilato rivolto all interno, ben centrato e verticale, e attendere; - incollare la seconda lama, il più possibile parallela, lasciando fra esse una luce di circa un millimetro; - coprire le fessure laterali con striscie di foglio di alluminio; - chiudere il telaio con la metà complementare. Usando il proiettore normalmente, inserire la diapositiva-fenditura e regolare la messa a fuoco: il fascio così prodotto è utilizzabile per esperimenti con un prisma o con un reticolo di diffrazione. NOTA: Se si volesse realizzare una fenditura per ottenere la DIFFRAZIONE, è sufficiente posizionare la seconda lama contro la prima, in modo da schiacciare fra esse una striscia di foglio di alluminio piegata in due, a mo di spessore, e incollare facendo attenzione che sia molto parallela alla prima e complanare. prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 2 -

3 ESP. 4/B b) RETICOLO DI DIFFRAZIONE SU TELAIO DIAPOSITIVA Reticolo di diffrazione su telaio per diapositiva Materiali: - un telaio per diapositiva, dotato di vetro anti-newton - un foglio di reticolo di diffrazione da almeno 500 righe/mm, di circa 4 cm 5 cm, meglio se con le righe parallele al lato corto - striscia di foglio di alluminio Attrezzatura: - forbici Procedura (tempo stimato 10 min.) - Intrappolare fra le due metà del telaio il reticolo, curando che l orientazione delle righe sia parallela al lato corto della finestra (anche se il telaio è quadrato); - chiudere il telaio. È possibile usare il telaio-reticolo sia con un normale proiettore, sia manualmente. È consigliato l uso in coppia con una fenditura. ESP. 4/C b) SPETTROSCOPIO A CANNOCCHIALE Spettroscopio a cannocchiale Materiali: - un tubo di cartone o plastica di qualche centimetro di diametro (tipo rotoli carta da cucina) - fenditura da ca. 1 mm e reticolo diffrattivo, montati su telai per diapositive - nastro isolante nero - (consigliata) vernice nera per l interno del tubo Attrezzatura: - forbice Procedura (tempo stimato 10 min.) - Tingere di nero l interno del tubo; - Fissare con il nastro adesivo nero il telaio-fenditura e il telaio-reticolo alle due estremità del tubo, facendo attenzione ad orientarli parallelamente (coprire con il nastro nero anche eventuali fessure residue). Puntare una sorgente luminosa con la fenditura e traguardare dal reticolo, leggermente fuori asse. AVVERTENZA - Non puntare direttamente contro il sole - LA LUCE DIRETTA DEL SOLE DANNEGGIA LA RETINA. prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 3 -

4 ESP. 4/D c) POLARIZZAZIONE Esempi di osservazioni con filtri polarizzatori davanti ad un monitor LCD. Nella terza immagine in alto, il foglio interposto orizzontalmente è un altro polarizzatore, nella fila in basso, invece, è la finestra trasparente di una busta commerciale. Materiali: - 3 filtri polarizzatori di circa 4 cm 5 cm - piccoli foglietti di nylon trasparente (del tipo degli involucri di pacchetti di caramelle o biscotti, e delle buste con finestra...) - luce naturale, monitor LCD - Sovrapporre due filtri e ruotarne uno a diversi angolazioni, osservando l andamento della trasparenza. - Provare con un solo filtro usando un monitor LCD come fonte di luce (pagina bianca e a colori). - Tenendo fissi due polaroidi a 90, inserirne un terzo fra essi ruotandolo: cosa si osserva a 45? Come si spiega alla luce del meccanismo con cui opera un filtro polarizzatore? - Sempre tenendone due fissi a 90, inserire i foglietti di nylon e ruotarli: cosa si osserva? - Riprovare i due punti precedenti, ma con i due filtri fissi posizionati a 0. Differenze? Come si spiegano? - Come sopra, ma con un filtro solo e il monitor LCD. Cosa succede? - Osservare un riflesso orizzontale (es. sul pavimento o sul tavolo) con un solo filtro, ruotandolo: cosa si osserva? Provare con un riflesso verticale (es. di una parete o di una finestra): trarre le dovute conclusioni..! - Molto interessante osservare con un solo filtro polarizzatore, il riflesso di una finestra ad un certo angolo: alternando l orientazione del filtro da perpendicolare a parallela e viceversa si assiste alla scomparsa/comparsa del riflesso, facendo apparire il vetro trasparente o riflettente. Questo accade perché la luce riflessa da una superficie può essere pensata come composta, in proporzioni variabili, da due componenti polarizzate ortogonalmente fra loro: incidendo ad un particolare angolo, detto angolo di Brewster (che per il vetro vale circa 57 e per l acqua 53 ), una delle due componenti si azzera, e il riflesso risulta totalmente polarizzato. Questo fenomeno è sfruttato molto in fotografia, per eliminare riflessi indesiderati. prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 4 -

5 ESP. 4/E e) MIRAGGI E FATE MORGANE Miraggio (a sinistra) e fata Morgana (a destra) Materiali: - 1 contenitore trasparente rettangolare alto e largo, meglio se stretto nel senso della profondità - alcool denaturato - zucchero (o sciroppo concentrato per bibite) - acqua - ambiente oscurabile (anche solo parzialmente) - (consigliato) puntatore laser Attrezzatura: - lavandino, brocca Procedura (tempo stimato 20 min.) MIRAGGIO - Versare nel contenitore trasparente uno strato d acqua di 3 4 cm e aggiungervi sopra con cautela uno strato d alcool altrettanto alto. Fare attenzione che l alcool non si mescoli del tutto con l acqua, ma resti separato da una zona a concentrazione intermedia e graduale. FATA MORGANA - Versare sul fondo del contenitore trasparente uno strato d acqua di 1 o 2 cm e aggiungere lo zucchero a cucchiaiate mescolando fino ascioglierlo tutto; aggiungerne ancora e mescolare di nuovo... 8 ) - versare poi lentamente dell acqua pura sopra lo sciroppo per formare il secondo strato, altrettanto alto. Anche in questo caso fare attenzione a non mescolare troppo i due fluidi, ma lasciare che si formi una zona di separazione a concentrazione intermedia e graduale. Osservare attraverso i liquidi, aggiustando l altezza dell occhio rispetto agli strati per assistere agli effetti sopra menzionati: nel primo si vedrà sdoppiato in basso un oggetto che si trova più in alto (miraggio); viceversa, nel secondo si osserverà aleggiare in alto il doppione di un oggetto che si trova in basso ( fata Morgana ). Volendo è possibile anche evidenziare il percorso seguito dai raggi luminosi che vanno dall oggetto al nostro occhio, e capire così il meccanismo con cui operano questi due effetti. Allo scopo è sufficiente tingere l acqua (iniettando del tè concentrato o del chinotto) e, osservando di fianco, servirsi di un laser in questo modo: - nel primo caso, lo si punta fra acqua e alcool, con un angolo diretto verso il basso, muovendosi su e giù per trovare la zona dove l effetto è più evidente: si noterà una deviazione progressiva del raggio verso l alto, che apparirà così incurvato (convesso); - nel secondo caso, lo si punta fra sciroppo e acqua, con un angolazione diretta verso l alto e anche qui cercando verticalmente la zona migliore: si noterà un fenomeno opposto al primo: il raggio risulterà ancora incurvato da una deviazione progressiva, ma questa volta verso il basso. Spiegazione Quando la luce passa da un mezzo ad un altro con un differente indice di rifrazione, essa subisce il fenomeno della rifrazione. Se la separazione dei due mezzi non è netta e la variazione di indice è graduale, il fascio di luce non forma un angolo netto all interfaccia (che non c è), bensì devia progressivamente e segue un percorso a curvatura dolce. L acqua ha un indice di rifrazione 1.33, mentre sia l alcool che la soluzione zuccherina hanno un indice di rifrazione maggiore (1.36 per l alcool e 1.53 per lo zucchero solido). Però, poiché il primo stratifica sopra l acqua e il secondo sotto, si creano due situazioni complementari. Nella realtà, sono strati d aria a temperatura diversa a creare una o l altra delle due situazioni sperimentate. prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 5 -

6 ESP. 4/F d) OTTICA NEL TÈ Rifrazione e riflessione totale (a sinistra) e guida di luce (a destra) Materiali: - un puntatore laser (laser a diodo) - una vaschetta trasparente, meglio se stretta e alta, con i bordi spigolosi - tè normale, dose per un paio di tazze (o più, a seconda della capacità della scatola) - olio di oliva (quello di semi è meno indicato) - ambiente oscurabile (anche solo parzialmente) - (consigliato) un cucchiaino da tè, lucido - (facoltativo) specchietto da dentista Procedura e funzionamento (tempo stimato 10 min.) - Per la prima parte, riempire la vaschetta di tè, fino ad un altezza di circa 4 5 cm (volendo è possibile allungarlo un po con acqua): a questo stadio è già possibile sperimentare riflessione, rifrazione e riflessione totale, potendo osservare il cammino ottico all interno del tè. Puntando il fascio di luce all interno del cucchiaino (specchio convesso), inoltre, è possibile ammirare come il fascio, rettangolare e parallelo, converga in una regione molto piccola (fuoco). - In un secondo tempo versare l olio sopra il tè, molto lentamente, fino a formare uno strato alto circa 1 cm: puntando il fascio dal fianco, è possibile realizzare molte altre configurazioni, tra cui la guida di luce. Spiegazione L attraversamento di mezzi con indice di rifrazione diversi da parte di un fascio di luce comporta una sua deviazione dal cammino rettilineo (rifrazione), all interfaccia: nel mezzo con indice di rifrazione maggiore il raggio è più vicino alla normale locale. Questo fatto è descritto dalla (seconda) legge di Snell. Viceversa, uscendo in un mezzo a minor indice di rifrazione, il fascio si allontana dalla normale, ma non può aprirsi di un angolo superiore a 90, perché a quel valore il raggio risulta di fatto parallelo alla superficie stessa: superandolo, il raggio rifratto cessa di esistere nel mezzo con indice di rifrazione minore e quello entrante risulta completamente confinato nel mezzo con indice di rifrazione maggiore: quando questo si verifica, ha luogo la riflessione totale. Se il mezzo otticamente più denso è uno strato compreso fra due a densità ottica minore, è possibile confinarvi un fascio di luce sfruttando le riflessioni totali a entrambe le superfici di separazione, e guidare così il fascio anche lungo percorsi non rettilinei (è il principio con cui funzionano le fibre ottiche). NOTA - Acqua e olio non sono miscibili, inoltre l olio ha un densità (peso specifico) minore dell acqua, perciò galleggia sopra l acqua e i due liquidi formano una superficie di separazione ben definita. Lo stesso dicasi per l aria (il terzo strato nell esperimento!). L indice di rifrazione dell acqua vale 1,33, ed è minore di quello dell olio, che è 1,47; l aria ha un indice di rifrazione molto prossimo a quello del vuoto (che vale 1): fra i tre, perciò, lo strato a maggior indice di rifrazione è perciò quello centrale. AVVERTENZA La luce del puntatore laser è molto intensa e collimata: evitare puntarla negli occhi o di fissare riflessi da superfici metaliiche lucide - LA LUCE DIRETTA DEL LASER PUÒ PROVOCARE DANNI ALLA RETINA. prof. Gabriele Calzà Costruzione di oggetti didattici nell insegnamento della fisica - 6 -